高增益電磁帶隙結(jié)構(gòu)微帶天線設(shè)計*

王素玲

(新鄉(xiāng)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

1 引言

做為通信終端的門戶，天線的輻射性能是射頻工程首先需要考慮的問題。微帶天線因制作簡單、輪廓低、易于集成、價格便宜，成為便攜式通信終端的首選，尤其在模塊化的移動終端，微帶天線更是具有不可替代的信號收發(fā)作用。微帶天線的增益、輻射瓣圖、輻射效率等技術(shù)指標(biāo)直接影響移動終端的信號質(zhì)量和射頻電路的復(fù)雜程度，改善微帶天線的輻射性能成為射頻電路的重要研究課題。

電磁帶隙(electromagnetic band-gap，EBG)結(jié)構(gòu)[1,2]是一種仿晶格的周期性電磁結(jié)構(gòu)，電磁帶隙結(jié)構(gòu)與光子晶體有非常密切的關(guān)系，微波波段的光子晶體稱為電磁帶隙結(jié)構(gòu)。光子晶體與電磁帶隙結(jié)構(gòu)的電磁行為在某些方面非常相似：科學(xué)家觀察到在特定的頻段二者均會出現(xiàn)禁帶區(qū)，即在特定的頻帶，電磁波不能傳播。利用電磁帶隙結(jié)構(gòu)的禁帶特性可以減小天線組的尺度，其基本原理是電磁帶隙結(jié)構(gòu)能有效消除或減弱表面波，從而減少微波信號間的互耦[3-6]；還可以利用其帶阻特性制作濾波器、移相器等常用微波器件；在電磁兼容技術(shù)中，電磁帶隙結(jié)構(gòu)常常被設(shè)置成隔離裝置以減小不同電氣設(shè)備的互相影響?？梢哉f，電磁帶隙結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)不僅具有一定的理論意義，也給小型化微波器件帶來了新思路和新手段。本篇論文主要討論電磁帶隙結(jié)構(gòu)在微帶天線系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過合理的布局有效減小二者的互耦，提高微帶天線的增益。

2 電磁帶隙提高天線增益原理分析

2.1 電磁帶隙結(jié)構(gòu)的禁帶特性

典型的電磁帶隙為蘑菇型結(jié)構(gòu)[1，2]，通常用敷銅雙面或者多面印刷線路板制作，根據(jù)工程需要，可以把電磁帶隙排列成一維形式或者二維的平面型結(jié)構(gòu)。當(dāng)電磁帶隙結(jié)構(gòu)被用作低輪廓天線的反射基板時，由于需要足夠大的反射板面積，電磁帶隙常常被制作成二維結(jié)構(gòu)，做移相器或者濾波器使用時，則以一維的形式出現(xiàn)。圖1所示為一維蘑菇型電磁帶隙結(jié)構(gòu)。雙面印刷板的下表面為電磁帶隙結(jié)構(gòu)的地表面；印刷線路板上表面為刻蝕貼片陣列，貼片陣列的每個單元通過導(dǎo)電過孔與地平面相連。圖1(a)所示為經(jīng)典的蘑菇型電磁帶隙的俯視圖，正方形金屬貼片的邊長為w，相鄰兩個貼片的間距為g，在貼片的中心設(shè)置金屬化過孔。

(a)俯視圖和剖面圖 (b)單元等效電路

BW=f1-f2

其中，L0為一個單元的等效電感，Lsh為過孔的等效電感，C0為等效傳輸線的電容，Cs為相鄰貼片縫隙間等效電容。

2.2 電磁帶隙結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高增益天線原理

圖2所示為常見的加載電磁帶隙微帶天線的布局圖，雙面印刷線路板的中心區(qū)域為微帶天線，電磁帶隙結(jié)構(gòu)包圍其四周，形成嵌入式微帶天線。當(dāng)饋電設(shè)置在x軸方向時，電磁輻射為水平線極化，電磁輻射主要集中在微帶天線的兩個邊a1和a2，印刷線路板的地平面為電磁場反射面，地平面越大，電磁波的反射越強(qiáng)，天線的后瓣越小，集中在前瓣的電磁能量越多，微帶天線的增益越高。

圖2 電磁帶隙結(jié)構(gòu)與微帶天線布局

從上述分析可知，微帶天線的增益與天線尺寸的關(guān)系極其密切，為了增加微帶天線的增益，必須增加反射板地平面的面積，因此，高增益和便攜式小型化成為一對矛盾，射頻工程中常常需要在二者間進(jìn)行取舍和折中。電磁帶隙結(jié)構(gòu)為解決該問題提供了新的思路：圖2中，周期性結(jié)構(gòu)的電磁帶隙可以阻止禁帶區(qū)的電磁信號傳播，也就是說當(dāng)頻率適當(dāng)時，電磁帶隙結(jié)構(gòu)在微帶天線的周邊形成一堵“電磁墻”，該“電磁墻”把微帶天線介質(zhì)中的電磁能量限制在一定的區(qū)域，使得電磁能量更為集中，實現(xiàn)微帶天線的小型化和高增益。

3 加載電磁帶隙的微帶天線

上述分析可知，理論上通過加載電磁帶隙結(jié)構(gòu)提高天線的增益是可行的，但是，在射頻天線設(shè)計中仍存在許多問題。

3.1 加載電磁帶隙的微帶天線的輻射頻率

仿真采用Ansoft公司的高頻仿真軟件HFSS13加載電磁帶隙的微帶天線如圖3(a)所示，中間為微帶天線，x軸同軸饋電，沿著y軸方向設(shè)置兩列蘑菇型貼片，每列3個單元，共6個結(jié)構(gòu)單元，x軸方向沒有設(shè)置蘑菇型單元，蘑菇型電磁帶隙的側(cè)視圖如圖3(b)所示，相鄰兩個單元中間的縫隙用g表示，貼片的寬度用w表示，p表示電磁帶隙結(jié)構(gòu)與微帶天線之間的縫隙，h為印刷板的厚度，蘑菇型電磁帶隙的單元貼片通過金屬化孔與敷銅印刷板地平面相連。

(a) top view

為了說明耦合產(chǎn)生的雙頻輻射現(xiàn)象，文中給出加載電磁帶隙后散射參數(shù)的變化情況如圖4所示，圖4中橫軸為微波的頻率，縱軸為散射參數(shù)S11，微帶天線與電磁帶隙結(jié)構(gòu)的間距p=0.4mm，不難看出，加載電磁帶隙的微帶天線系統(tǒng)存在兩個輻射頻率，分別位于1.96GHz和2.2GHz，將此圖與未加載電磁帶隙結(jié)構(gòu)的散射曲線相比較，加載電磁帶隙結(jié)構(gòu)的微帶天線系統(tǒng)：(1)原來的輻射頻率發(fā)生移動，輻射頻率由原來的2.22GHz移動到2.2GHz，輻射頻率減小0.02GHz；(2)在1.96GHz出現(xiàn)了新的輻射頻率點。

圖4 電磁帶隙激發(fā)新的輻射頻率

保持電磁帶隙結(jié)構(gòu)中蘑菇型貼片的大小不變，改變縫隙間隔，觀察頻移。筆者做了大量的電磁仿真，部分結(jié)果列于表1，用以說明輻射頻率的移動規(guī)律。表中選擇的電磁帶隙貼片尺度為10mm×7mm，仿真中貼片與微帶天線的最小間距p=0.2mm，按照0.1mm的步長逐漸增加其間距。表中顯示，隨著間距g的增加，輻射頻率f1呈增長的趨勢，但是，當(dāng)間距g增長到一定的程度(表中約1.6mm左右)時，頻率出現(xiàn)滯漲態(tài)勢，基本穩(wěn)定在2.08GHz，繼續(xù)增加間距，輻射頻率f1呈現(xiàn)出左右搖擺的特點。

表1 天線輻射頻率的變化

把圖3(a)中蘑菇型電磁帶隙的方向旋轉(zhuǎn)90度，即使其沿著x軸方向呈周期性排列，并設(shè)置其分列于微帶天線的兩邊，重復(fù)上述仿真，仿真結(jié)果雖有所不同，但天線的輻射頻率同樣發(fā)生了變化，為避免重復(fù)，此處不再給出其散射參數(shù)的仿真曲線。

綜上所述，無論電磁帶隙結(jié)構(gòu)加載在水平方向還是加載在垂直方向，加載電磁帶隙結(jié)構(gòu)的微帶天線均存在兩個輻射頻率，其中一個輻射頻率與未加載之前的微帶天線的輻射頻率非常接近，該輻射頻率可以解釋為微帶天線本身的輻射效應(yīng)；另外一個輻射頻率總是小于微帶天線本身(單獨(dú)存在時)的輻射頻率，該輻射頻率可以認(rèn)為是電磁帶隙結(jié)構(gòu)與微帶天線互相作用的結(jié)果：根據(jù)微波輻射理論，輻射體的尺度越大，對應(yīng)的輻射頻率越低，由此推出兩個輻射頻率中數(shù)值較低的輻射是由更大尺度的輻射體引起的輻射效應(yīng)，考慮到電磁帶隙結(jié)構(gòu)與微帶天線間縫隙足夠小，二者間的耦合不可忽略，新頻率可以認(rèn)為是電磁帶隙結(jié)構(gòu)和微帶天線的共同輻射，電磁帶隙結(jié)構(gòu)的存在相當(dāng)于增加了微帶天線的面積，因此出現(xiàn)了頻率更低的輻射。簡而言之，電磁帶隙的存在相當(dāng)于增加了微帶天線的尺度，因此出現(xiàn)了更低頻率的輻射。

3.2 電磁帶隙結(jié)構(gòu)與天線間距對增益的影響

采用商業(yè)軟件HFSS13進(jìn)行仿真。電磁帶隙結(jié)構(gòu)的基板設(shè)置為雙層印刷線路板，介質(zhì)基片材料設(shè)置為Rogers RT/duroid 6010，相對介電常數(shù)εr=10.2，厚度h=2mm，雙面覆銅板，下表面為地平面，上表面為正方形的蘑菇型電磁帶隙結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果如圖5所示，圖中，較粗的實線表示未加載電磁帶隙結(jié)構(gòu)的天線的E面瓣圖，其增益為Gain=4.59dB； 加載電磁帶隙后，當(dāng)微帶天線與電磁帶隙結(jié)構(gòu)的縫隙p為0.2mm時，天線E面瓣圖如圖5中線型較細(xì)的虛線所示，其增益為Gain=3.40dB。二者相比，加載電磁帶隙的微帶天線增益不但沒有提高反而減小1.19dB。改變間隙p的大小，間隙不同時天線系統(tǒng)的增益如表2所示。

圖5 加載電磁帶隙的微帶天線的增益變化

表2 加載電磁帶隙結(jié)構(gòu)的天線增益

綜合圖5和表2的仿真結(jié)果，與未加載電磁帶隙的微帶天線相比，加載電磁帶隙微帶天線的增益并非像預(yù)期一樣出現(xiàn)大幅上升，反而出現(xiàn)了增益下降的情況。

4 高增益天線的設(shè)計與仿真

4.1 加載電磁帶隙的高增益天線仿真

從上述仿真結(jié)果可以看出，電磁帶隙和微帶天線間的耦合將在兩個方面影響天線的性能：輻射頻率和天線增益。設(shè)計出高增益小型化的天線，必須盡量減小天線和電磁帶隙間的耦合。根據(jù)微帶天線理論，微帶天線激發(fā)的內(nèi)電磁場主要集中在印刷線路板的介質(zhì)基片中，對于同軸饋電的微帶天線，其電磁場的分布與場點到饋電點的距離有關(guān)，靠近饋電點的場點電磁場較強(qiáng)，遠(yuǎn)離饋電點的場點電磁場較弱，在天線貼片的邊沿，由于電磁傳播條件發(fā)生突變，將激發(fā)出向空中輻射的電磁波，輻射主要發(fā)生在天線貼片的邊沿，也就是說，圖2中正方形貼片的兩個對邊a1和a2區(qū)域?qū)袕?qiáng)度較大的電磁輻射，而沿著x軸方向，在x大于a2或者小于-a2區(qū)域，即貼片邊沿外延的區(qū)域，電磁場將迅速衰減。電磁帶隙與微帶天線間的耦合與介質(zhì)中的電磁場強(qiáng)度密切相關(guān)，電磁場強(qiáng)度越大，耦合效應(yīng)越明顯，因此，合理設(shè)置電磁帶隙結(jié)構(gòu)的布局，可以抑制二者的耦合效應(yīng)。

減小二者之間的耦合有許多方法，本文采用合理設(shè)置微帶天線與電磁帶隙間距的方法。如果二者間距設(shè)置過小，二者的電磁耦合將很強(qiáng)，電磁帶隙的存在不僅不能提高天線的增益，反而使其增益下降；如果天線與電磁帶隙間的間距設(shè)置過大，雖然可以減弱二者之間的耦合，但電磁帶隙起不到增加天線增益的效果，存在的意義不大。本文通過大量的仿真，發(fā)現(xiàn)設(shè)置合理的間距，才能使電磁帶隙既不影響或不嚴(yán)重影響微帶天線的輻射頻率又能提高天線系統(tǒng)的增益。

仿真采用圖6所示結(jié)構(gòu)，介質(zhì)采用Rogers /RT Duroid 6010, 其相對介電常數(shù)為10.2，微帶天線為常用的正方形貼片，尺度為10 mm×10 mm，同軸饋電，饋電點在x軸上，坐標(biāo)為2.94 mm，印刷板的下表面為天線的地平面，大小為60mm×60mm，電磁帶隙為常規(guī)的蘑菇型正方形結(jié)構(gòu)，每個單元貼片的大小為6mm×6mm，電磁帶隙結(jié)構(gòu)中相鄰貼片的間隙g設(shè)置為0.2 mm，在每個正方形貼片(patch)中心設(shè)置金屬化過孔，過孔的半徑r設(shè)置為0.2 mm，金屬化過孔的高度與介質(zhì)基片厚度相同，均為2 mm，沿著x軸方向，設(shè)置上下兩行電磁帶隙結(jié)構(gòu)，每行設(shè)置7個單元，兩行共14單元；y軸方向同樣設(shè)置兩列電磁帶隙結(jié)構(gòu)，每列6個單元，兩列12個單元；水平方向與垂直方向共計設(shè)置26個單元，形成圍合式結(jié)構(gòu)。在水平x軸方向，微帶天線與電磁帶隙之間的間距沿著x軸正方向與負(fù)方向的間距相同，均為6.2mm，而y軸方向的設(shè)置則采用上下不同的間距，上間距(y正方向)間距較大，為12.2mm，下間距(y軸負(fù)方向)間距較小，為6.2mm。

圖6 高增益天線結(jié)構(gòu)示意圖

仿真結(jié)果見圖7、圖8。天線輻射的中心頻率f=2.25GHz，在該頻率點其散射參數(shù)S11=-24.9dB，增益Gain=5.212dB。把該天線的增益與未加載電磁帶隙的微帶天線增益3.4dB相比，天線的增益增加了1.812dB。因此，當(dāng)間距設(shè)置合適時，圍合式布局的電磁帶隙微帶天線，能夠在原來的輻射頻率附近輻射并且具有較高的天線增益。

圖7 圍合式電磁帶隙微帶天線的輻射頻率

圖8 高增益天線的輻射瓣圖

4.2 三種布局的增益比較

在加載電磁帶隙結(jié)構(gòu)的微帶天線研究中，見諸報道的布局多設(shè)計成圍合式，即在微帶天線的四周加載電磁帶隙結(jié)構(gòu)，以期形成一個封閉式阻擋電磁信號的電磁壁，使得電磁能量更為集中，從而增加天線的方向性。本文對三種不同布局的微帶天線系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，目的之一在于發(fā)現(xiàn)圍合式加載方式與非圍合式方式的不同效果，為設(shè)計高增益的微帶天線系統(tǒng)提供思路和手段。

圖9為三種不同的布局，布局1為圍合式結(jié)構(gòu)，不再贅述，布局2在y軸方向設(shè)置兩列電磁帶隙結(jié)構(gòu)，每列8個單元，饋電點在x軸方向；布局3在x軸方向設(shè)置兩列電磁帶隙結(jié)構(gòu)，每列8個單元，正好與布局2形成垂直關(guān)系。選擇布局1的目的是希望得到圍合式結(jié)構(gòu)與非圍合式結(jié)構(gòu)的不同，選擇布局2和布局3之目的是比較不同極化方式對天線增益的影響：當(dāng)饋電在x軸方向，天線為水平極化方式，電場強(qiáng)度沿著水平x軸方向，輻射發(fā)生在微帶天線的a邊和b邊，與布局2相比布局3的饋電點并沒有發(fā)生變化，而是設(shè)置電磁帶隙結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)90度，相當(dāng)于電磁帶隙結(jié)構(gòu)加載于垂直極化的天線系統(tǒng)中。三種結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果如表3所示。比較三種布局的增益可以知道，三種布局的增益比較接近，也就是說：(1)圍合式布局并不比非圍合式結(jié)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢；(2)電磁帶隙結(jié)構(gòu)布局在極化方向還是非極化方向，不會對天線的輻射瓣圖產(chǎn)生明顯的影響。

(a)圍合 (b)沿垂直方向 (c)沿水平方向

表3 電磁帶隙布局對天線增益的影響

5 結(jié)論

本文主要討論加載電磁帶隙結(jié)構(gòu)微帶天線設(shè)計中常常出現(xiàn)的一些問題：(1)由于電磁帶隙結(jié)構(gòu)與微帶天線的耦合效應(yīng)，當(dāng)電磁帶隙結(jié)構(gòu)與微帶間縫隙設(shè)置不合理時，微帶天線會出現(xiàn)射頻輻率移動現(xiàn)象、雙頻輻射現(xiàn)象且天線的增益減?。?2)圍合式布局的電磁帶隙并不比非圍合式的電磁帶隙布局具有更為優(yōu)良的性能；(3)無論天線工作在水平極化方式還是垂直極化方式，加載電磁帶隙結(jié)構(gòu)都可以提高天線的增益且增加量基本相同。在上述討論的基礎(chǔ)上，本文提出了一種加載電磁帶隙結(jié)構(gòu)的高增益微帶天線的布局并對其增益進(jìn)行了討論。